圖像識別技術在電力信息化建設中的應用

王曉燕，傅冠凱，徐熠彬，邊海源，董昊男

（國網甘肅省電力公司市場營銷事業部，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

電力是我國經濟發展的能源基礎，也是滿足日常需求的關鍵能源，電力信息化是保障我國電力安全的有力保障。隨著國家電網建設智能電網意見的出臺，電力信息化成為電網發展的主要方向，通過電力信息化能夠在線識別輸電設備與輸電線路，從而實現對電力系統的在線監測，及時識別電網運行中存在的問題，從而及時消除故障，保障電網安全[1]。圖像識別技術作為一種代表性的計算機技術，廣泛地應用于門禁、在線疾病檢測、工業生產在線監控等領域中，在不同行業發揮重要的作用。傳統的電力設備識別需要依靠人工完成，效率慢，可靠性低，長距離線路的檢測需要耗費大量的人力物力。將圖像識別技術應用于電力系統中，有助于在線識別設備，及時發現設備異常，從而推動電力信息化。本文從電力信息化的角度出發，分析圖像識別技術的應用優勢，并且從不同的方面分析圖像識別技術的應用價值，期望以此為參考推動電力信息化建設。

1 圖像識別技術對電力信息化的意義

1.1 電力信息化概述

電力工業是一項綜合行業，電力工業信息化是將電力系統的各個環節進行信息化處理，從而借助信息化高效的特點，實現對電力行業的協調配合與管理。電力信息化是將信息化技術應用于電力系統中，將電力工業中的設計規劃、施工、生產、營銷等多個環節實現信息化，從而推動電力工業的整體信息化，打造具有高度集約化、自動化的電力系統。電力信息化是一個不斷發展的概念，也是電力行業生產自動化和管理信息化的進程。

我國的電力信息化是從20 世紀60 年代開始的，早期的電力信息化主要是對發電廠和變電站設備進行自動化監控。隨著信息化的發展，各種新技術出現，為電力信息化提供更多的技術支持。我國的電力信息化從早期的單個項目和單機，向著綜合化、網絡化、整體化方向發展。當前，電力信息化已經成為電力企業的戰略發展目標。

1.2 圖像識別技術概述

圖像識別技術是通過計算機采集圖像，并且對獲取的圖像進行分析，從而理解圖像信息，對圖像的主體進行識別[2]，為后續的信息處理打下基礎。作為計算機技術的基礎技術，圖像識別廣泛地應用于多種行業，而且逐漸成為生產管理的重要技術。

根據圖像識別的理論，可以將圖像識別分為傳統圖像處理和現代圖像處理，不同的圖像處理和識別方法原理不同。傳統圖像處理技術包括圖像數字化、圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像邊緣檢測等方面，主要是接收和處理相應的圖像信息，并且讓圖像進行信息化處理，對圖像進行增強和恢復，以便更好地理解圖像信息。現代圖像技術是信息化發展到一定階段的技術，包括圖像特征分析、圖像配準、圖像融合、圖像分類登記。為了獲取圖像信息，需要對圖像進行預處理，去除圖像的噪聲和干擾后，提升圖像質量，再通過技術提取與分析圖像信息，描述圖像的特征。圖像識別模型是圖像識別的關鍵，常見的識別模型包括原型匹配和模板匹配，通過對比原型和模板，能夠對被識別主體的圖像進行識別與分析，從而做出準確的判斷。

1.3 圖像識別技術的在電力建設中重要性

電能是當前社會經濟發展的重要能源，隨著社會經濟的發展，對電力安全穩定的要求不斷提高。如何保障電網安全，高效地提供電能，是電力公司需要考慮的重要問題。將圖像識別技術應用于電力建設中，將圖像識別應用于電力生產與營銷的各個環節，能夠推動電力信息化進程[3]。傳統的電力管理主要是由人工完成的，但是電力行業數據繁雜，人工處理效率低，受各種因素的影響。圖像識別技術是以計算機為基礎的技術，在電力建設中具有以下特點：準確處理數據、高效處理數、與其他技術配合使用。將圖像識別技術應用于電力建設中，有助于推動電力行業的現代化，并且推動電力行業信息化建設，實現從局部到整體、從單項到綜合的方向發展，從而保障電力安全，為用戶提供優質的電力服務。

2 圖像識別在電力設備在線監測的應用

電力設備檢測是電力系統信息化的關鍵，也是整個電力體系的重要環節。將圖像識別技術應用于電力設備檢測中，通過與網絡技術相結合，能夠識別設備狀況，從而推動電力信息化發展。

2.1 總體方案

當前的發電廠和變電站都已經構建了相對完善的視頻監測體系，在電力行業視頻監測的基礎上，引入圖片識別技術，能夠對視頻內容的電力設備進行識別，從而達到分析電力設備，在線監測管理的目的。電力行業圖像識別方案首先是以數字攝像機作為基礎，通過數字攝像機識別電力設備的運行狀態，并且將采集到的信息數據轉化成為光信號，然后將信號傳輸到監控計算機中[4]。由監控計算機的圖像識別系統，對傳輸來的信息進行識別，并且加以分析處理，將電力設備運行信息傳輸到管理者的移動設備，實現對電力設備狀態的有效監管。電力設備圖像識別技術框架如圖1 所示。

圖1 電力設備監測圖像識別技術框架

2.2 圖像采集

電力設備在線監測是建立在待圖像采集基礎上的，圖像采集質量與后續的在線監測質量相關。從電力系統來看，對待測圖像進行視頻監控或拍照，截取其中的一幀作為輸入樣品，提取其特征量，并且對電力設備進行與學習，對圖像特征進行識別。電力設備的圖像采集可以選擇視頻監控截圖或現場安裝照相設備進行實時圖片采集，圖像識別系統中的樣本訓練是影響圖像采集質量的關鍵。

首先，需要對表征對象特征進行分析，從而選擇相應的電力設備特征，待測電力設備特征越準確，則電力設備識別準確率更高。電力設備特征過多則會影響圖像識別效率，因此需要選擇壓縮、變換等方式進行優化，以提升圖像的識別率。其次，需要選擇特定算法分析影響因素，電力設備的圖像采集受到各種因素的影響，包括光線、設備型號等，綜合分析設備特征，選擇特定算法，能夠準確識別電力設備狀態，提升圖像識別準確性。

2.3 圖像特征提取

特征提取是圖像識別的核心步驟，根據電力設備的情況，可以將電力設備的圖像特征分成全局不變特征、局部不變特征等類型。全局不變特征包括電力設備的外形輪廓，通過幾何變換的方式，將電力設備的不變特征量進行識別，從而準確對電力設備進行識別，常用的全局不變特征的提取方式包括模糊不變量、多尺度自卷積、幾何特征等方法。局部不變特征量是通過對圖像局部進行識別，從而識別對象的過程。圖像采集過程中，常常會出現圖像殘缺、部分關鍵識別點不準確，造成局部失真的情況，利用角點、局部不變矩等方式，對電力設備圖像的局部特征進行提取，從而提升圖像識別準確率。

2.4 圖像預處理

圖像預處理是圖像識別的基本步驟，通過對采集得到的圖像進行灰度處理，在消除其噪聲影響的情況下，采用加權系數處理的方式，得到高質量的圖像。如果沒有經過預處理，容易影響識別和分析結果，對于電力設備圖像而言，預處理的關鍵步驟包括：利用直方圖增強圖像邊緣、銳化處理消除圖像噪點以及毛刺、對圖片進行分割操作、加強圖像輪廓標記。通過預處理后，消除影響圖片質量的因素，減少噪聲的影響，確保圖片信息和細節質量。

2.5 變電站圖像識別

通過二值化處理，將占據計算機空間的數字信號轉化成為二值數字信號，能夠釋放計算機空間，并且提升計算機處理效率，從而提升電力設備檢測的實時性，提升處理速度。經過二值化處理后，得到滿足識別的電力設備圖像，然后采用圖片匹配的方式，對電力設備的圖像進行匹配，以完成對電力設備的識別，了解電力設備的運行狀態。SIFT 方法可用于變電站圖像識別，通過對電力設備的空間尺度、關鍵點進行識別，從而確保特征點周圍關鍵點符合樣本的特征，完成對電力設備的識別。

3 圖像識別技術在電力設備異常檢測的應用

電力設備異常檢測是在電力設備在線監測的基礎上，將電力設備異常參數輸入識別軟件，從而實現對電力設備異常進行識別，及時發出報警信號。圖像識別軟件可用于檢測電力設備的異常狀態，找出發生畸變的電力設備，從而為后續的故障定位和現場檢修提供依據。

3.1 無人變電站圖像檢測

無人值守是變電站管理的發展趨勢，圖像采集是變電站無人值守的重要內容，將圖像采集和網絡信息技術相結合，對變電站設備進行準確識別，達到無人值守的目的。但是傳統的圖像采集已經不能滿足現代電網的需求，將圖像識別系統引入變電站系統中，對采集的圖像進行分類、識別[5]，然后將異常狀態的圖像傳輸到調度端。異常設備狀態發出警報，為調度員的處理提供依據。在對圖片預處理以及識別分析后再進行上傳，可以減輕調度員工作負擔，提升識別效率，實現監測自動化。

3.2 電力設備異常狀態監測

在電力設備在線監測總體方案的基礎上，對采集到的電力設備圖像進行預處理、識別之后，對比正常狀態的電力設備的運行參數，從而識別電力設備的異常狀態。電力設備的特征包括顏色、紋理、形狀輪廓等參數，在識別電力設備圖像的基礎上，對比數據庫的標準圖像，對電力設備運行狀態進行判斷。經過軟件計算，可以對電力設備狀態進行分析，分析是否發生電力設備故障。

3.3 故障監測

對采集得到的圖像進行識別，對電力設備的歷史設備圖像進行對比，能夠得到電力設備的故障信息，了解其故障類型、故障位置等，為后續處理提供指導。電力設備的圖像識別技術能夠對電力設備故障狀態、故障類型等進行識別，從而判斷電力設備是否出現異常，如果出現異常，進行報警，并且分析故障位置與故障類型，提醒相關人員處理電力設備故障。以變電站變壓器漏油檢測為例，通過對區域內的圖像信息進行采集，對比正常狀態下的圖片，識別是否出現故障。經過圖像識別基礎，檢測得到漏油故障，發出報警信號，要求現場人員進入現場處理故障。

4 圖像識別技術在電力設備操作管理的應用

將圖像識別及時應用于電力設備管理中，可以了解電力設備的運行狀態，了解電力設備的動態參數，從而為電力設備的操作提供依據。

4.1 電力設備開關、壓板、刀閘的管理

借助圖像識別技術，能夠對電力設備的狀態進行識別，包括用電設備的開關狀態、指針儀表等狀態和參數。通過在線視頻系統得到電力設備的圖像數據，通過灰度化處理、二值化處理后，對電力設備的圖像進行預處理，確保圖像質量滿足要求。采用霍夫變換對電力設備圖像的直線進行提取，了解電力設備的指針方向、指針讀數等參數，從而判斷指針是否正確，電力設備運行是否正常。開關狀態和刀閘狀態識別比較容易實現，利用電力設備模式進行對比，可以分析電力設備的開關狀態，識別效果較好。例如在變電站設備的識別中，通過圖像識別技術，可以識別變壓器的狀態，包括其冷卻風機、變壓器溫度、變壓器漏油等狀態，從而為變壓器的控制提供參考。

4.2 電力設備防誤操作

圖像識別技術可用于電力設備的防誤操作，從而保證電力設備的安全穩定。隨著電力技術的發展，穿戴式電力設備應用越來越廣泛，但是其狀態管理和人為誤操作是影響設備運行的重要因素。借助圖像識別技術和無線網絡，可以將采集到的數據傳輸到操控中心，并且識別采集得到的圖像，結合操作人員誤操作進行判斷，避免電力設備的誤操作，保障電網安全。

4.3 消防安全管理

圖像識別技術可以加強電力設備消防安全管理。借助變電站的溫度傳感器，可以識別電力設備的運行溫度，及時發現電力設備的溫度異常，加強了消防安全管理。通過變電站的紅外攝像頭，可以采集變電站等區域的火焰輪廓等信息，并且識別電力設備的火焰亮度、飽和度等特征，從而識別動態火焰，為消防安全管理提供數據。將圖像識別技術應用于電力設備管理中，可以在線監測變電站等場所的環境情況，如果出現溫度異常、火焰等及時報警，督促管理人員及時處理異常情況，避免火災發生，保障電力系統安全穩定地運行。

5 圖像識別技術在電力營銷中的應用

電力營銷直接關系著用戶的體驗，是影響電力企業服務質量的關鍵環節。電力營銷信息化，利用遠程技術開展電力營銷管理，能夠進一步提高電力信息化水平，提升營銷服務質量。

電力營銷中，電能表數填寫、用電終端設備管理等是電力營銷的難點。傳統的電力營銷使用人工填寫電能表數據，但是填寫過程受到各種因素的影響，而且電力用戶增加，導致電力營銷數據增多，需要耗費大量的人力物力。將圖像識別系統應用于電力營銷中，利用信息化技術開展電能表數據的識別和填寫，從而能夠提升電能表數據的準確快，提升電力營銷質量。圖像識別系統可用于用電終端設備的管理，如果出現異常，及時報警，督促營銷人員開展管理，確保電能終端狀態完好，提升營銷服務質量。

電力營銷圖像識別系統中，核心部件是固定的操作臺，通過固定操作臺拍攝電能表，從而能夠了解電能表的型號、狀態、條碼以及數據等內容。固定的操作臺是影響后續電力信號識別質量的關鍵，主要由數碼相機、控制開關、工控主機等構成，能夠準確采集電能表圖像，并且將圖像信息進行整理。將采集的圖像進行預處理，提升圖像質量，經過圖像分割、二值化閾值的選取，準確識別電能表的信息。對比歷史電能表數據等，可以獲得電能表的差值，從而分析用戶的電力消費情況，提升電能表數據的準確性。借助圖像識別技術，能夠遠程進行電能表的管理，從而提升電力營銷質量，為用戶提供高質量營銷服務。電力營銷圖像識別技術框架如圖2 所示。

圖2 電力營銷圖像識別框架

6 結語

電力作為國家經濟發展和社會發展的重要能源，電力信息化建設是保障電力安全，提升用電質量的關鍵，對于電力發展具有重要的意義。將圖像識別技術應用于電力系統管理中，通過圖像信息采集、圖像預處理、圖像識別等方式，準確識別電力系統中的電力設備、電力營銷儀表的狀態，獲取準確和及時的電力信息，推動電力信息化建設。在電力設備管理中心，合理利用圖像識別技術，可以準確了解電力設備，從而為后續的設備管理提供依據。從當前的應用來看，電力信息化還面臨著不少挑戰，圖像識別技術也還存在不少問題。為了充分挖掘其應用價值，需要在實踐中不斷完善圖像識別技術，推動電力信息化發展。